Advanced Materials：靜電紡絲及電鍍技術制備自連接的銅納米纖維導電膜

【背景簡介】

發光二極管（LEDs）、有機LEDs、顯示器、觸摸屏、太陽能電池、智能窗等，當今這些已有的新興設備都需要具有高透光率（T）和較低薄膜電阻（Rs）的透明導電電極（TCEs），但是上述兩者是互不兼容。銦摻雜的錫氧化物（ITO），作為傳統的機械性能穩定可靠的材料，在商業TCE的應用中占有著主導地位。然而，銦成本的上升及其供應量的減少，再加上ITO的剛性和脆性等問題，這都限制了它在低成本柔性器件上的使用，如可穿戴電子產品、柔性太陽能電池、可彎曲顯示器和電子皮膚等。

隨著科學技術的發展，研究者們提出了用納米結構材料替代ITO，如碳納米管（CNTs）、石墨、金屬納米纖維和導電聚合物等。其中，金屬納米線（NWs ）表現出巨大的潛力，如金屬NWs膜在T≥90%時其Rs = 10Ωsq?1。然而，進一步提高其性能時卻會受到NW交點處較高的結電阻的限制。實際上，對于所有一維滲流材料而言，它們都面臨著結電阻這樣一個巨大挑戰，包括基于碳納米管的材料。為了解決這一問題，研究人員中進行了一系列的研究。

【主要亮點】

Wu等人使用熱蒸鍍銅將銅納米纖維的節點相互關聯，通過金屬納米線第一個實現了在T>90%時可獲得Rs<10Ωsq?1 [1]。Hsu等人通過將中尺度納米纖維與納米金屬線相結合在T=92％時獲得了Rs = 0.36Ωsq?1 [2]。然而，用于將納米線與納米纖維相連的熱蒸鍍法需要在高真空下進行，在低成本生產中是不可行的。高麗大學等多所大學的研究人員通過使用靜電紡絲和電鍍這兩種超快過程制備出同時具有較低Rs及高T的TCEs，打破了上述中的限制。他們提出的可用于低成本生產TCEs的新方法制備所得的膜，除了具有前所未有的較低Rs（Rs = 0.42Ωsq?1）和較高T（T = 97%）性能之外 ，還具有卓越的機械靈活性和穩定性。這種TCEs在性能、強度上的大幅提高，成本上的降低都將為柔性顯示器提供了一系列新的機遇。

【圖文導讀】

圖一：CuEW-TCEs制備過程原理圖

說明：
a）在銅框架沉積第一個電紡聚合物納米纖維；
b）通過貴金屬種子制備導電納米纖維；
c）在含有鉑的納米纖維上沉積第二層電紡聚合物納米纖維；
d）只在含有金屬的納米纖維上電鍍銅（第二層電紡的納米纖維之所以未被電鍍，是因為在沒有金屬催化時它們是不導電的）；
e）將電鍍和未電鍍納米纖維轉移到透明基板上；
f）將未電鍍納米纖維溶解除去。

圖二：用銅電鍍線（CuEW）制備透明導電電極中（TCEs）

說明：
a）PDMS上CuEW-TCEs的SEM圖像；
b）將CuEW-TCEs轉移到人手上和樹葉上的照片（第一電紡絲階段持續時間T_1ST=30s）；
c）PET上 CuEW-TCEs的放大照片（T_1ST=10秒）。

圖3：CuEW-TCEs光學和電性能的研究

說明：
a）與先前的研究對比，CuEW-TCEs的薄層電阻與透射比的關系；
b）第一次電紡時間T_1ST=1s時，PDMS上CuEW-TCEs的照片；
c）第一次電紡時間T_1ST=60s時，PDMS上CuEW-TCEs的照片；
d）第一次電紡時間T_1ST=180s時，PDMS上CuEW-TCEs的照片；
e）去除未電鍍支撐纖維后CuEW-TCEs 的透射光譜。

圖4：CuEWs-TC機械穩定性的研究

說明：薄層電阻與各變量的函數關系：
a）PET上的 CuEW-TCEs彎曲半徑；
b）PET上的 CuEW-TCEs彎曲循環；
c）Eco-flex上CuEW-TCEs的單軸應變拉伸試驗；
d）當拉伸至770％時，Eco-flex上CuEW-TCEs的照片。

圖五：電導和透射的滲流模型

說明：透射率對于電阻的依賴性：
a）實驗數據和從滲透理論中找到p和b的相應值；
b）基于理論方程的結果，每一行與恒定b值相對應；藍色符號表示與a中相對應的理論數據。

文獻鏈接：Self-Junctioned Copper Nanofiber Transparent Flexible Conducting Film via Electrospinning and Electroplating

參考文獻：
[1] H. Wu, D. Kong, Z. Ruan, P.-C. Hsu, S. Wang, Z. Yu, T. J. Carney,?L. Hu, S. Fan, Y. Cui, Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 421.
[2] P. C. Hsu, S. Wang, H. Wu, V. K. Narasimhan, D. Kong, H. R. Lee,?Y. Cui, Nat. Commun. 2013, 4, 1.